Синтез органических и неорганических соединений

В последние десятилетия активизировались исследования на стыке смежных отраслей естествознания – химии металлоорганических и бионеорганических соединений, химии твердого тела, биогеохимии и др. Неорганические элементы и соединения, последнего времени, играют важную роль в живых системах. Живые системы нельзя считать полностью чисто органическими. Они весьма чувствительны к ионам металлов почти всей периодической системы элементов Менделеева. Некоторые ионы принимают участие в таких жизненно важных процессах, как связывание и транспорт кислорода (железо в гемоглобине), поглощение и конверсия солнечной энергии (магний в хлорофилле, марганец в фотосистеме, железо в ферродоксине, медь во фталоцианине), обмен электрическими импульсами между клетками (кальций, калий в нервных клетках), мышечное сокращение (кальций), ферментативный катализ (кобальт в витамине В₁₂) и др.

Важнейший предмет изучения быстро развивающейся неорганической химии биосистем – строение ближайшего и дальнего окружения атомов металлов и его изменение под воздействием кислотных агентов, давления кислорода и других факторов.

Быстро развивается еще одна отрасль – химия элементоорганических соединений. Для исследования сложнейших структур и связей таких соединений применяются новейшие методы спектроскопии и рентгеноструктурного анализа, позволившие открыть большое семейство соединений со сложной структурой. Пример таких соединений – синтезированный ферроцен – вещество, атомы железа которого расположены между двумя плоскими кольцами.

Химики-металлоорганики стремятся создать новые катализаторы для фиксации азота, т. е. для превращения молекулярного азота N₂ в аммиак NH₃ – исходный продукт для производства удобрений. Одно из важных достижений – синтез соединений, способных избирательно взаимодействовать с теми молекулами, которые долгое время считались слишком инертными для химических превращений, но представляли и представляют практический интерес. Например, насыщенные углеводороды относительно инертны, не содержат двойных или тройных углерод-углеродных связей. Недавно синтезированы соединения родия и иридия, содержащие фосфины (PR₃), или карбинилы, и другие соединения, которые способны расщеплять связи С–Н в метане и циклопропане. При сочетании такой важной реакции синтеза с другими видами превращений можно наладить массовое производство насыщенных углеводородов – ценнейшего промышленного сырья. Таким способом можно осуществить прямое превращение метана в метанол – метиловый спирт – важнейшее сырье для производства многих химических веществ.

С участием металлоорганических соединений осуществляются важные промежуточные стадии многих органических реакций. Данные соединения богаты электронами, поэтому в природе они играют роль посредника во многих процессах переноса электронов.

Сравнительно новая отрасль химической науки – химия композиционных структур – позволила синтезировать из двух или более веществ композиты, свойства которых превосходят свойства каждого из них. Например, синтезированы и производятся неметаллические проводники из чередующихся слоев, многослойная керамика для соединения полупроводниковых схем. Другой интересный новый класс материалов – композиты на сверхтонких волокнах. Тонкие волокна толщиной 50–100 нм (тоньше человеческого волоса) существенно изменяют свойства вещества, в котором они равномерно распределены. Одна из главных задач химии композитов – изучение взаимодействия компонентов в таких сложных композиционных системах.